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走，去给太阳的两极拍照！

张雨晨 中国国家地理BOOK 2023-02-10

▲ Solar Orbiter的任务海报。图/ESA-S


下一个十年，太阳研究领域或将出现重大突破。



“三个多世纪前，天体物理学家们就发现这太阳内部氢转化为氦的速度突然加快，于是他们发射了上万个探测器穿过太阳，最终建立了这颗恒星完整精确的数学模型。”——《流浪地球》
 
刘慈欣之所以能被称为科幻大师，一个重要的原因是他的作品在许多细节上都不会脱离现实。小说中的人类，需要发射上万个探测器，才能建立起太阳的数学模型。没错，在现实中，我们对于这颗咫尺之外的恒星，同样是知之甚少。

▲ 万物之源，太阳。图/NASA


从现有的恒星模型来看，太阳还很年轻，很稳定，还可以继续燃烧50亿年，我们无需担心小说中的“氦闪”会在现实中出现。但是，太阳对于人类的重要性无与伦比，从1959年前苏联发射月球1号起，我们就开始利用太空飞行器探索太阳。
 
就在前天（2月10号）下午16点03分，美国东部时间凌晨5点03分，佛罗里达卡纳维拉尔角发射基地的黎明被阿特拉斯V型运载火箭喷出的巨大火焰所点亮，一颗名为Solar Orbiter（太阳轨道飞行器）的太阳探测器被成功发上太空，它承担着一个史无前例的任务——为太阳的两极拍照。

▲ 2月10日，阿特拉斯V型运载火箭搭载着Solar Orbiter飞上太空。图/ESA-S



为什么要去太阳两极？


太阳与地球一样，也有南北两个磁极，但与地球不同的是，大约每隔11年，太阳的南北磁极就会对调一次。在两极反转之前，太阳的活跃程度会达到峰值。

▲ 太阳的结构，到Convective Zone（对流层）为止是太阳本体，其上是太阳大气。太阳大气分为Photosphere（日光层，又叫光球层）、Chromosphere（色球层）和Corona（日冕）。图/Wikipedia


太阳活跃时，耀斑会大规模的出现。所谓耀斑，就是比周围的太阳大气温度更高更亮（耀眼）的区域，这代表着大量的能量爆发。

耀斑的寿命很短，长寿的也就是几十分钟，但是它狂暴的很。在短时间内，它会向太空中喷射出大量的电磁辐射和粒子流，制造出被称为太阳风的太空风暴，最高时速可达到800千米，最远能够吹到220亿千米的地方，远远超出了冥王星的轨道。


▲ 太阳上出现的C-3级耀斑（在左上角的白色区域）。图/NASA

 

太阳耀斑共分为A、B、C、M、X五级，其中X级最大，A级最小。在平时，M级和X级的耀斑，一年都不会出现一次，但在磁场反转前，几乎每天都会有M级或X级的耀斑出现。
 
太阳风不仅会造成通信中断、导航失灵，严重时还会损坏航天器上的精密设备。太阳风能够加热地球的外层大气，增大轨道上的飞行器的阻力，导致轨道衰减。太阳风中所包含的大量高能质子，能穿透在外太空执行任务的宇航员的身体，造成生理上的伤害。

▲ 在地球磁场保护范围之外，已经运行了20年的太阳风探测器。图/NASA

 
“我们不知道太阳的两极是什么样子，但我们知道它是太阳磁循环的关键。”欧洲航天局Solar Orbiter项目科学家丹尼尔·穆勒向公众如此解释此次探测的目的，“太阳轨道飞行器将会首次拍摄太阳极地，在此之前，人类从未拍摄过这个区域。”
 
人类进入太空这么多年，为什么连一张太阳极地的照片都没有呢？这主要是因为我们站的位置不对。
 
包括地球之内的八大行星的轨道，都与太阳赤道位于同一平面之内，这个平面的名字叫黄道面。站在地球上观测太阳，就好像在赤道的上空观测地球两极，那是一点都看不见。

▲ 八大行星都在黄道面这个平面上运行。图/NASA

 
从地球上发射出去的探测器，大部分也是在这个黄道面上运动。地球的公转，让探测器轻松获得了很高的与黄道面平行的速度，省时又省力，但是，想要再在垂直方向加速，就需要更多的能量，费时又费力。
 
在Solar Orbiter抵达太阳之前，人类唯一一个飞跃太阳南北两极的探测器，是1990年发射的以探索太阳和木星为目标的尤西里斯号，但是，它距离太阳有点远。它在最接近太阳南极点的时候，距离太阳还有27亿公里，而且它也并没有拍摄下太阳两极的照片。

▲ 尤西里斯号探测器飞跃太阳时的想象图。图/NASA



拍张照片，全副武装


想要把探测器发到黄道面的外面？那可不能单靠火箭的蛮力。Solar Orbiter这次是利用了地球和金星的引力弹弓效应，在一次次的环绕飞行中，将轨道逐渐“竖”起来的。

▲ Solar Orbiter逐渐竖起来的过程，从内向外的三个行星分别是水星，金星和地球。视频/ESA

 
但是要近距离地拜访太阳，更重要的是能扛得住高温，耐得住辐射。
 
当Solar Orbiter抵达近日点时，它与太阳的距离仅有不到4200万千米，这比水星轨道还要近。要知道，水星面向太阳一侧的表面温度可是常年超过400摄氏度。对于Solar Orbiter来说，它将要忍受的温度，将接近500摄氏度，这已经是相机工作温度的上限。

▲ 正在被太阳炙烤着的Solar Orbiter。图/ESA-S


为了保护探测器上的精密仪器不被热浪灼伤，在Solar Orbiter面向太阳的一面，覆盖着一层3米长、2.5米宽的，比飞行器还要大的特质“遮阳护甲”，以抵挡热浪的炙烤。
 
这层“护甲”的最外层，是一种由磷酸钙构成的、叫做“太阳黑（Solarblack）”的特殊物质，它能有效抵挡太阳喷发出的强大辐射和高能粒子。在“太阳黑”之后，紧贴着一层0.05毫米厚的钛箔，接下来是连续18层的隔热钛层。只要躲在这层护甲后面，所有仪器的环境温度，都不会超过50摄氏度，这大概也就是地球上一个炎热夏日的水平。

▲ 发射之前的Solar Orbiter，最上方的一面，就是防护层“太阳黑”。图/ESA-S


Solar Orbiter上装载的21个传感器，能够保证“护甲”能够一直面向着太阳，一旦后方出现了温度变化，Solar Orbiter就会迅速调整姿态。“护甲”上还留有许多观察孔，当拍照时机成熟时，这些观察孔上覆盖着的“镜头盖”就会打开，让太阳暴露在镜头之前。

▲ 这张照片上能够清晰的看到防护板上可开关的小洞，这些是相机拍摄的通路。图/ESA-S


为了给太阳拍出完美的相片，Solar Orbiter整整背了6台“照相机”。这其中既有可以拍摄可见光的日冕仪（观测太阳大气最外层的日冕和太阳风）、偏振和日震成像仪（观测太阳本体最上方的对流层）和日球成像仪（观测太阳风和日冕物质喷射），还有可以拍摄紫外线的极紫外线成像仪（拍摄除光球层外的太阳大气，将获得太阳的第一张全球紫外照片）、日冕环境的光谱成像仪（拍摄日冕），以及可以拍摄X光的X射线光谱仪（拍摄耀斑）。

▲ Solar Orbiter上的各类仪器设备，右侧为正对着太阳的一面。图/ESA

 
除了相机之外，Solar Orbiter还配备了磁场探测器、高能粒子探测器、无线电与等离子体传感器、太阳风等离子体分析仪等4台仪器，以完成它的另一个任务——分析太阳风。
 
虽然是拍摄极地，但Solar Orbiter其实并没有飞跃真正飞跃两极上空，它所达到的与黄道面的最大夹角，只有33度。对于人类的相机来说，这个角度已经足够完成拍摄两极的任务了。天文探索就是这样，与精确的结果同等重要的，是性价比：更高的拍摄角度，需要着更漫长时间的转圈借力，也意味着更多的风险，33度足矣，一切都恰到好处。

▲ Solar Orbiter并不会到太阳的垂直上方或下方去。图/ESA


恰到好处这一点，也能够从Solar Orbiter的结构材料看出。Solar Orbiter的框架用纯铝打造，铝很轻，可以为Solar Orbiter匀出更多的重量去搭载仪器，铝的熔点是660摄氏度，在照相机500摄氏度的上限工作温度中正好够用。
 
根据美国宇航局和欧洲航天局公布的数据，Solar Orbiter的设计寿命为7年，预计工作时间能够延长到10年。美国宇航局Solar Orbiter项目的次席科学家特蕾莎·妮薇丝对这个项目信心满满：“Solar Orbiter会极大地改变我们对太阳的认知，这个领域即将诞生革命性的成果！”


Solar Orbiter，并非独行


在Solar Orbiter飞向太阳之前，有一个名为帕克的太阳探测器，已经在2018年的时候抵达了太阳附近。

▲ 帕克太阳探测器。图/NASA

 
说起这个帕克，它的来头可比Solar Orbiter大得多，这从名字就能看得出来。帕克，是NASA第一个以健在的人的名字命名的探测器，而Solar Orbiter这个名字，不管怎么翻译都感觉十分啰嗦。
 
帕克是谁？他的全名叫尤金-帕克，是太阳风的发现者。不过，他并没有真的看到太阳风，而是通过彗星尾巴的方向，预测了这一风暴的存在。在帕克之前，所有人都认为，太阳周围的日冕一直处于静止不动的状态。

▲ 尤金·帕克。图/NASA

 
用大咖帕克命名的飞行器，也很厉害，它的目标，是飞到离太阳仅有610万公里的地方，从天文学的角度来看，这简直是和日冕脸对脸地贴在了一起，要知道，日冕的温度可是高达上百万摄氏度啊！
 
所以，帕克所工作的环境，比Solar Orbiter更为恶劣，它的护盾所要防护的，是高达1400摄氏度的高温。不过，这点温度对于人类的工业材料来说，并不是什么挑战，只要防护得当，帕克仪器的工作温度，仍然能保持在30摄氏度以下。

▲ 帕克也要通过不断地转圈（黄色的线为已走过的旅程，红色的是未来的旅程），才能逐渐接近太阳，在抵达距离太阳最近的地方的时间大约为2024年。图/NASA

 
帕克距离太阳的距离太近，温度太高，相机根本无法工作，所以，它的核心任务是分析日冕的成分，以解开日冕的高温之谜（太阳本体表面的对流层仅有5500摄氏度，但日冕却有上百万摄氏度）。
 
至于拍照的工作，就留给了Solar Orbiter，而且，帕克还会与Solar Orbiter一起分析太阳风的成分。没错，它们两个开展的是一项合作任务，相互互补，相互协作。
 
在不久的未来，一定还会有更多的探测器加入这个小团队。如果一切顺利的话，在下一个十年内，我们将对这颗万物依赖的星球了解更多。



- END - 


文丨张雨晨
封图丨Real Engineering
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